Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów Jak działa LHC Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

Kompleks akceleratorów w CERN Akceleratory są to wielkie urządzenia badawcze służące do przyspieszania cząstek do prędkości bliskiej prędkości światła oraz do późniejszego ich zderzania z innymi cząstkami. Zespół akceleratorów w CERN-ie jest największy i najbardziej uniwersalny na świecie. W jego skład wchodzą zarówno akceleratory (przyspieszacze) dezakceleratory (spowalniacze) jak i zderzacze (kolizjonery) cząstek elementarnych. Wykorzystywane są wiązki elektronów, pozytonów, protonów, antyprotonów a także "ciężkich jonów" (jąder atomów takich jak tlen, węgiel, siarka lub ołów). A. Siemko

CERN – Genewa Kompleks Akceleratorów CERN Meyrin site CERN Prevessin site CMS ATLAS SPS LHC Geneva Airport A. Siemko

Kompleks akceleratorów w CERN ? ? ? ? 2004: The 20 member states

Kompleks Akceleratorów w CERN Schemat tuneli LHC i SPS A. Siemko

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie A. Siemko

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Liniowy (LINAC 2) 1978 A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Booster (PSB) 1972 1972 - Zbudowanie czteropierścieniowego wstępnego akceleratora 800 MeV (Booster) pozwoliło zwiększyć energię protonów wstrzykiwanych do PS. To nowe urządzenie i dodatkowy nowy akcelerator liniowy (Linac), uruchomiony w 1978 r., umożliwiły ponad tysiąckrotne zwiększenie zaplanowanego początkowo natężenia wiązki w akceleratorze PS. A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Synchrotron Protonowy (PS) 1959 1959 - Rozpoczął działanie synchrotron protonowy 28 GeV (PS) - pierwsza z dużych maszyn w CERN-ie. Przez pewien czas był to akcelerator o największej na świecie energii. A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Synchrotron jonów niskoenergetycznych (LEIR) 2005 1995 - Produkcja pierwszych atomow antywodoru. A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Dezakcelerator antyprotonow (AD) 1999 A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Supersynchrotron Protonowy (SPS) 1976 1976 - Rozpoczyna działanie supersynchrotron protonowy SPS. Osiągi akceleratora szybko się zwiększają, tak że zostaje przekroczone zaprojektowane natężenie i pod koniec 1978 r. maksimum energii zostaje przesunięte do 500 GeV. Supersynchrotron protonowy jest akceleratorem kołowym o obwodzie 7 kilometrów. Został zbudowany do przyspieszania protonów. Byl używany jest jako zderzacz wiązek protonów i antyprotonów, akcelerator ciężkich jonów oraz do wstępnego przyspieszania elektronów i pozytonów przed wstrzyknięciem ich do akceleratora LEP. Jako zderzacz protonów i antyprotonów w latach 80-tych dostarczył CERN-owi jednego z najwspanialszych momentów - pierwszej obserwacji cząstek W i Z, czyli nośników słabych oddziaływań. SPS może także przyspieszać jony ołowiu (z 208 nukleonami w jądrze ołowiu) do energii 170 GeV na nukleon. Dziś jest to największa energia osiągalna na świecie i pozwala ona na badanie plazmy kwarkowo-gluonowej, która mogła istnieć zaraz po Wielkim Wybuchu. A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Wielki Zderzacz elektronow i pozytonow (LEP) 1989-2001 1989 - W sierpniu rozpoczyna pracę LEP. W październiku, w dwa miesiące po pierwszych zderzeniach w LEP-ie, nadzwyczaj dokładne pomiary dla cząstki Z wykazują, że fundamentalne elementy składowe materii składają się z trzech i tylko trzech rodzin cząstek. 1991 - W grudniu delegaci Rady CERN-u uchwalają jednogłośnie, że wielki zderzacz hadronowy LHC (Large Hadron Collider) w tunelu LEP-u jest 'właściwą maszyną' przyszłości. 1994 - Lata od 1989 r. to lata sukcesów LEP-owskich eksperymentów. Najbardziej doniosłym wynikiem jest precyzyjny pomiar parametrów bozonu Z - od 1989 do 1993 r. cztery LEP-owskie detektory: ALEPH, DELPHI, L3 i OPAL zrekonstruowały ponad 10 milionów rozpadów Z.Rada zatwierdza budowę LHC. A. Siemko 16/04/2007

CERN – najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Wielki Zderzacz Hadronow (LHC) 2008 - Rada CERN zatwierdza budowę LHC. Mniej więcej w połowie lat 1980-tych rozpoczęła się dyskusja, mająca na celu wypracowanie różnych opcji zastąpienia akceleratora LEP. Naukowcy zajmujący się fizyką cząstek elementarnych są zgodni, że poprzez uzyskanie większych energii prawdopodobnie będziemy w stanie odpowiedzieć na fundamentalne pytania pozostawione bez odpowiedzi przez LEP. Jednym z najważniejszych jest mechanizm nadawania cząstkom masy. W grudniu 1994 roku Rada CERN-u oficjalnie zatwierdziła budowę w CERN-ie wielkiego zderzacza hadronowego LHC. LHC zbudowany będzie z pierścieni nadprzewodzących, które umieszczone zostaną w istniejącym już tunelu LEP-u. Pierścienie służyć będą do poprowadzenia wiązek protonów zderzających się z energiami 10 razy większymi niż w jakimkolwiek wcześniejszym akceleratorze. Użycie istniejącego już tunelu i zasilania przez istniejące źródła cząstek i wstępne akceleratory przyczynia się do zminimalizowania kosztów budowy. Do budowy zostaną użyte najbardziej zaawansowane technologie magnesów nadprzewodzących i akceleratorowe. Eksperymenty przy LHC zostały zaplanowane tak, aby "zobaczyć" zjawiska przewidywane przez teoretyków cząstek elementarnych, ale muszą być one także przygotowane na zupełnie niespodziewane odkrycia. Wymaga to wielkiej pomysłowości zarówno ze strony fizyków jak i inżynierów. A. Siemko 16/04/2007

Główne parametry LHC Dwie przeciwbieżne wiazki LHC jest podwójnym synchrotronem o ośmiokrotnej symetrii Energia nominalna: 7 TeV Energia początkowa: 450 GeV Obwód pierścienia: 26658.883 m Średnica pierścienia: ~8.6 km Pierścień podzielony jest na 8 niezależnych sektorów 8 łuków (ca. 2500m) 8 sekcji prostych (ca. 600m) Sektor składa sie z 23 komórek ca. 105m Dwie przeciwbieżne wiazki 4 punkty przecięcia wiązek A. Siemko

Parametry wiązek protonów LHC Częstotliwość obiegu wiązki 11.245 kHz Liczba paczek w wiązce 2808 Liczba protonów w paczce 1.15 x 1011 Średnica paczki w punkcie zderzeń 16μm Długość paczki 7.55 cm Odstęp miedzy paczkami ~7 m Energia wiązki 2 * 360 MJ Prąd wiązki 0.54 A A. Siemko

Energia wiazek LHC 700 MJ może stopić 1 tonę miedzi Momentum at collision 7 TeV (1 eV = 1,6 × 10-19 Joule) Number of bunches 2808 Protons per bunch 1.15  1011 Total number of protons 6.5 . 1014 (1 ng of H+) Energia zmagazynowana w 2 wiązkach: 724 MJoule Energia potrzebna do stopienia 1 tony Cu: 700 MJoule 700 MJ może stopić 1 tonę miedzi 700 MJ zdysypowane w czasie 88 s 700.106 / 88.10-6  8 TW Moc wszystkich elektrowni na świecie  3.8 TW A. Siemko 17

Protekcja urządzeń nadprzewodnikowych – wyzwania Wiązka 100 MJ 56 mm Limit “Quenchu” 15-100 mJ/cm3 5-9-2011

Protekcja urządzeń nadprzewodnikowych ca. 1700 Elektrycznych obwodów magnesów nadprzewodnikowych ~20000 kanałów zabezpieczających urządzenia nadprzewodnikowe 4000 monitorów strat wiązki A. Siemko

Jak kontrolujemy wiązki LHC - instrumentacja Monitory pozycji wiązki Base-Band-Tune (BBQ) Monitory strat wiązki Monitory promieniowania synchrotronowego Monitory gęstości paczek Scanery drutowe

0.9999978 0.999393 A. Siemko

LHC - Nominaly Cykl Pracy Beam dump Ogniskowanie Stabilna praca Zderzenia Ramp down 35 mins Injection ~30 mins Ramp 17 mins Squeeze 8 mins Collide 1 mins Stable beams 0 – 30 hours Wstrzykiwanie wiazek

Wstrzykiwanie wiązek do LHC

Przyspieszanie i ogniskowanie wiązek

Ilość danych zarejestrowana do dzisiaj A. Siemko

Gdzie jest Higgs? A. Siemko

Podsumowanie CERN jest największym na świecie laboratorium fizyki cząstek i ma największy kompleks akceleratorów, w tym akcelerator LHC. Mamy nadzieję, że eksperymenty LHC wyjaśnią wkrótce kilka najważniejszych zagadek przyrody. W CERN trzynaście tysięcy ludzi z całego świata … jest zafascynowanych pracą badawczą, z entuzjazmem poświęca czas na rozwiązywanie problemów doświadczalnych i teoretycznych, LHC jest fantastyczną „maszyną”. Dotychczasowy postęp jest prawdziwym dowodem na moc nadprzewodnictwa i demonstracją umiejętności i zaangażowania ludzi, którzy budowali LHC. A. Siemko

Dziękuję za uwagę Życzę Państwu: zdobycia w CERN inspiracji do tego jak trudne zagadnienia z fizyki przekazać w sposób atrakcyjny i przystępny, …i w efekcie doprowadzenia do zahamowania niepokojącego spadku zainteresowania przedmiotami ścisłymi wśród uczniów, jak również wielu radości z dzielenia się zdobytymi doświadczeniami z młodymi ludźmi w Polsce. Dziękuję za uwagę